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Penicilinas - Estrutura química e preparação

- Conhecer o núcleo base dos antibióticos β-lactâmicos, e em particular das

penicilinas e características físico-químicas genéricas

Anel β-lactâmico Amida cíclica com 4 átomos no seu anel.

Nome contemporâneo azetidinona

Este anel foi provado ser o componente principal do farmacóforo

Penicilina Subclasse dos antibióticos -lactâmicos

Caracterizadas pela presença de um anel tiazolidina de 5

membros fundido com o anel -lactâmico. Este composto tem o

nome genérico de penamo (sistema bicíclico).

Esta fusão e a quiralidade do anel -lactâmico

resulta numa molécula que possui uma forma em V.

Esta estrutura interfere com a planaridade da ligação

lactâmica e inibe a ressonância do azoto lactâmico

com o grupo carbonilo.

Consequentemente, o anel -lactâmico é muito mais reativo (anel com muita tensão)

e assim mais sensível ao ataque nucleofílico quando comparado com amidas planares.

- Conhecer a estrutura e a obtenção microbiológica da penicilina G e da penicilina V

» As penicilinas de origem natural foram produzidas a partir do crescimento de fungos;

» O penamo sugere que este tenha derivado dos aminoácidos cisteína e valina;

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» Quanto á cadeia lateral ligada ao grupo amina do anel βlactâmico, varia consoante o

meio sólido em que o fungo responsável pela produção da penicilina está inserido:

- Penicilina G

Cadeia lateral: C6H5CH2

Produzida quando o meio de cultura continha ácido

fenilacético em quantidades elevadas, este era incorporado na

molécula para produzir Benzilpenicilina

Primeiro antibiótico β-lactâmico conhecido

- Penicilina V

Cadeia lateral: C6H5OCH2

Se no meio de cultura estiver presente o ácido fenoxiacético,

este será incorporado na molécula e é então produzida a fenoximetilpenicilina.

- Modo de obtenção do ácido 6-aminopenicilânico (6-APA) e a sua importância

O 6-APA pode ser obtido directamente, a partir do crescimento de fungos, se

excluirmos do meio onde este cresce o precursor acídico da cadeia lateral, no entanto, este é

um método com baixo rendimento;

Assim para a obtenção do 6-APA recorre-se às penicilinas naturais, benzilpenicilina

(penicilina G) ou fenoximetipenicilina (penicilina V), mediante a ruptura enzimática da ligação

amida da cadeia lateral. Para o método ser mais rentável, as enzimas são usadas imobilizadas

em vez de serem em solução.

A enzima que catalisa esta ruptura enzimática é a penicilamidase (não é usada pelos

microrganismos para a sua protecção contra fármacos).

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- Outro modo de obtenção do 6-APA é a hidrólise quimioseletiva:

Só por si, o 6-APA tem uma actividade antibiótica baixa, mas quando substituído no

seu grupo amina primário com uma amida adequada, a sua potência e espectro antibacteriano

aumentam consideravelmente;

Assim, as penicilinas actualmente em uso terapêutico preparam-se

fundamentalmente usando como matéria-prima o 6-APA. Este contém 3 centros

estereogénicos (2S, 5R e 6R), o que justifica a sua utilização como matéria-prima da qual

derivam as penicilinas por reacções de N-acilação.

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Nomenclatura

A numeração do núcleo base começa

sempre no azoto e dá-se no sentido contrário

aos ponteiros do relógio.

A nomenclatura das penicilinas e dos

outros antibióticos é complexa, tomando como

exemplo a penicilina G segundo a nomenclatura

IUPAC esta seria a 3,3–dimetil –7–oxo–6–(2-fenilacetamido)-4-tio-1-azabicicloheptano-2-

carboxilato.

No entanto, devido a complexidade do nome um sistema mais simples tem resistido,

baseando-se na adição ao nome penicilina, do nome químico trivial do radical que completa a

estrutura, assim a penicilina G designa-se por benzilpenicilina, contendo esta 3 centros

assimétricos (2S, 5R e 6R) que são essenciais para manter a sua actividade farmacológica.

- Conhecer a instabilidade/estabilidade da ligação amida do anel β-lactâmico

Devido à distorção dos ângulos de ligação que constituem o ciclo de 4 membros e à

fusão com o anel tiazolidina (anel de 5 membros), o par de e- não compartilhados do azoto

que se encontra fixo não pode sobrepor-se aos e- da ligação π do grupo carbonilo, pelo que

não é permitida a ressonância característica da ligação amida -> o grupo carbonilo no anel ß-

lactâmico é altamente susceptível a ataque nucleofílico.

Uma amida terciária é resistente a ataques nucleofílicos porque o grupo carbonilo é

estabilizado pelo átomo de azoto, que fornece o seu par de e- ao grupo carbonilo formando

uma estrutura dipolar com ressonância, com ângulos de ligação de 120º, mas num anel ß-

lactâmico (de 4 membros) os ângulos são de 90º. Como resultado, o par de e- não ligantes

encontra-se localizado no átomo de azoto e o grupo carbonilo é mais electrofílico do que o de

uma amida terciária.

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- Hidrólise do anel β-lactâmico em água e em soluções alcalinas

Esta ligação quebra-se moderadamente (lentamente) em água fria, mas mais

rapidamente em soluções alcalinas (mais OH-).

O mecanismo desta reacção inicia-se com um ataque nucleofílico do H2O ao grupo

carbonilo da amida do anel,

havendo a passagem de e- para o

átomo de oxigénio do grupo

carbonilo. Seguidamente, os e-

movimentam-se para restabelecer a

ligação dupla no grupo carbonilo,

fazendo com que a ligação C-N se

quebre ocorrendo então a abertura

do anel β-lactâmico. Forma-se

então o ácido penicilóico que sofre

descarboxilação para originar o

ácido penilóico.

- Reacção de antibióticos β-lactâmicos com grupos amino de aminoglicosídeos, bem

como a problemática das alergias aos antibióticos β-lactâmicos

Normalmente a alergia às penicilinas é de início tardio e é expressa pelo

aparecimento de um prurido. Ocasionalmente também pode ser imediata e profunda,

podendo incluir colapso cardiovascular e podendo mesmo levar à morte;

Normalmente quando se é alérgico a uma classe de β-lactâmicos também se é

alérgico às outras classe;

A reacção alérgica tem normalmente origem na reacção entre as proteínas e o anel

β-lactâmico, com o ataque nucleofílico dos grupos amina das proteínas á ligação β-lactâmica:

Formando antigénios designados por haptenos;

Como esta reacção envolve o anel β-lactâmico (farmacóforo) não pode ser evitada

pelo que não é possível contornar este problema em indivíduos com predisposição para a

mesma.

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-Hidrólise do anel β-lactâmico em meio ácido

A sensibilidade das penicilinas ao ácido deve-se essencialmente a três factores que

favorecem esta hidrólise ácida:

Tensões do anel

O sistema biciclico sofre elevadas tensões de torção. A abertura do anel, catalisada

por ácidos, alivia essas tensões pela quebra da ligação causadora da maior torção do anel β-

lactâmico.

Reactividade elevada do grupo carbonilo do anel β-lactâmico

Ao observarmos a figura, o par de e- não ligantes do azoto do anel β-lactâmico

atacam o carbono do grupo carbonilo (carga parcial positiva -> oxigénio é electronegativo).

Como consequência, este fica com excesso de e-.

O que na realidade acontece é a formação de uma estrutura de ressonância dipolar.

Influência da cadeia lateral de acilo (participação do grupo vizinho)

O grupo acilo da cadeia lateral pode participar activamente no mecanismo de

abertura do anel β-lactâmico.

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Pela figura abaixo, pode observar-se que em meio ácido e temperatura ambiente,

este tipo de antibióticos sofrem uma reordenação: protonação do N lactâmico, seguida do

ataque nucleofílico pelo grupo carbonilo da cadeia lateral. O anel de oxazolina intermediário

assim formado transpõe-se de novo a um anel de imidazol, dando origem ao ácido penílico.

Este processo pode acontecer no estômago.

Por outro lado, a altas temperaturas ou com cloreto de mercúrio e num meio ácido,

também ocorre ruptura do anel de tiazolidina, originando entre outros produtos a

penicilamina.

Voltando à degradação catalisada pelo ácido do estômago, esta é a principal

responsável pela baixa absorção por via oral das primeiras penicilinas naturais. Esta pode

minimizar-se, introduzindo-se na posição benzilica da benzilpenicilina, substituintes atractores

de e-.

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Desta forma, aquando da protonação do azoto lactâmico, não se produz o ataque

nucleofílico do grupo carbonilo da cadeia lateral, já que se introduziram substituintes

atractores de e-. Por esta razão a fenoximetilpenicilina (penicilina V) e a ampicilina são mais

estáveis do que a penicilina G (benzilpenicilina).

Relações de estrutura-actividade

O anel rígido ß-lactâmico é essencial.

O ácido carboxílico livre é essencial. Este está

normalmente ionizado -> sais de K e de Na. O ião carboxilato

liga-se ao ião amónio carregado de um resíduo de lisina no sítio

de ligação.

O sistema bicíclico é importante. Confere maior rigidez

anel ß-lactâmico. Quanto maior a rigidez, maior a actividade,

mas maior a instabilidade da molécula a outros factores.

A cadeia lateral acilamina (esterioquímica cis) é essencial.

O enxofre é usual mas não essencial.

Em suma, qualquer variação está restringida à cadeia lateral acilamina.

Alterações estruturais para aumentar a estabilidade em meio ácido

A colocação de um grupo electroatractor na

cadeia lateral, diminui a densidade electrónica no grupo

carbonilo da cadeia lateral, protegendo estas penicilinas

da hidrólise ácida no estômago -> maior

biodisponibilidade após administração oral.

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- Papel dos iões metálicos nas reacções de hidrólise e implicações

Iões tais como cobre, zinco e mercúrio coordenam-se com o azoto do anel β-

lactâmico facilitando a sua ruptura.

- Características estruturais que favorecem a ligação a proteínas plasmáticas

Quanto maior a lipofilicidade da cadeia lateral, maior a ligação a proteínas

plasmáticas -> vantagens em termos de

protecção da degradação mas reduz a

concentração bactericida efectiva de fármaco na

corrente sanguínea.

O grau de ligação tem pouca influência

nos seus tempos de meia vida, uma vez que as

penicilinas são excretadas para a urina por

transporte activo e a taxa de libertação das

proteínas é suficientemente rápida para que o passo determinante da eliminação seja a taxa

de secreção renal.

- Características químicas fundamentais na resistência às penicilinases

Algumas bactérias, principalmente a maior parte das Gram-, não são sensíveis às

penicilinas e outras são capazes de desenvolver mecanismos de resistência (alteração da

permeabilidade da membranas ou da estrutura das transpeptidases ou ß-lactamases).

Em geral, o impedimento estérico na posição α do acilo, como acontece no grupo

2,6-dimetoxifenilo da meticilina, confere resistência às ß-lactamases, mas há que ter em conta

que estes derivados apresentam, ao mesmo tempo, menor afinidade pelas transpeptidases

(menos activos que as penicilinas naturais - G e V - contra as bactérias normalmente sensíveis

às penicilinas).

No entanto, a introdução de um grupo metileno entre o grupo 2,6-dimetoxifenilo, a

alteração de um dos grupos metoxi para a posição para ou a substituição de um deles por um

H leva à perda de resistência à penicilinase.

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Se os substituintes na posição α do acilo são

volumosos e atractores de e- -> derivados estáveis

contra as ß-lactamases e resistentes à hidrólise ácida.

Por outro lado, se os substituintes são

dadores de e-, como acontece com os grupos

metoxilo da meticilina -> derivados mais estáveis

contra as ß-lactamases, mas mais sensíveis à hidrólise

ácida.

Os átomos de halogénio influenciam outras

propriedades farmocinéticas (cloxacilina melhor

absorvida que a oxacilina e a flucloxacilina não se liga

tanto às proteínas plasmáticas);

A introdução de um grupo ionizado ou

polar na posição benzílica da Penicilina G, como

ocorre na ampicilina, cujo grupo amina, tanto em

meio ácido como em meio neutro, está protonado,

confere actividade contra bactérias Gram-, porque

permite a penetração no interior celular através de canais aquosos – porinas;

A amoxicilina também tem um grupo amina que actua contra Gram- mas que é

melhor absorvido por via oral que a ampicilina.

O carboxilo é outro grupo polar que aumenta a eficácia contra as Gram- (encontra-se

na carbenicilina).

Mecanismo químico de acção

Diferenças entre a parede celular de bactérias Gram + e Gram –

A parede celular contém uma estrutura de peptidoglicano feita de péptidos e

resíduos de açúcar. Existem 2 tipos de açúcar: NAM (ácido N-acetilmurâmico) e NAG (N-

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acetilglucosamina) ligados por ligações β-1→4. Os péptidos (tetratapéptidos) estão ligados ao

NAM com presença de aminoácidos L e D.

A ligação cruzada entre cadeias vizinhas de peptidoglicano é feita nas bactérias

Gram- pela ligação entre o grupo carboxilo do resíduo D-alanina (3ª aminoácido do

tetrapéptido) de uma cadeia e o grupo amino situado sobre o átomo de C de um resíduo de

ácido meso-diaminopimélico da outra cadeia.

Nas Gram+ a união faz-se a partir de uma ponte pentapeptídica de glicina que liga o

resíduo de lisina de uma cadeia ao 4º aminoácido da ponte tetrapeptídica da cadeia vizinha.

Gram + Gram -

Contém essencialmente peptidoglicano e

ácidos teicóicos e lipoteicóicos

Fina camada de peptidoglicano rodeada por

uma membrana externa

Ligação entre as 2 cadeias peptídicas é feita

por um pentapéptido Ligação entre as 2 cadeias peptídicas é directa

Estrutura simples Estrutura mais complexa

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- Entender a importância da formação de ligações peptídicas cruzadas e o seu

mecanismo de formação

A formação deste tipo de ligações produz uma matriz insolúvel capaz de manter a

integridade da célula. Sem este tipo de ligações as cadeias de peptidoglicano permaneciam

dissolvidas na água.

No processo de síntese, forma-se um

enlace peptídico entre o grupo carboxílico do

resíduo R4 de uma cadeia e o grupo amino do

resido R3 de outra. Esta ligação (cross-linking -

proporcionam estabilidade à parede bacteriana) é

efectuada por uma transpeptidase de serina que

inicialmente catalisa a hidrólise do enlace D-Ala-D-

Ala, dipéptido C-terminal da cadeia de peptidoglicano.

A enzima fica primeiro acilada, retirando o último resíduo de D-alanina do

pentapéptido inicial para catalisar posteriormente a reacção de transamidação entre a

acilenzima e o grupo carboxilo de um a.a. de outra cadeia de peptidoglicano.

Selectividade de acção dos antibióticos β-lactâmicos

Inibição selectiva e irreversível das enzimas que constroem a camada de

peptidoglicano. A enzima transpeptidase é uma das enzimas que permite a ligação do resíduo

D-alanina à glicina da unidade pentamérica. E apenas actua em resíduos proteicos com a

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conformação D, que apenas existe na parede bacteriana (em células humanas a conformação é

L).

Como os β-lactâmicos são capazes de mimetizar a estrutura da parte final do

peptidoglicano (D-alanil-D-alanina) e ligar-se ao local activo da transpeptidase.

A distância de Na para Nb no resíduo D-ala--D-ala e na penicilina são idênticas. O

grupo carbonilo β-lactâmico pode ainda ser activado pelos efeitos torsionais do anel

tiazolidina nas penicilinas. Este carbonilo corresponde ao grupo carbonilo do acil do resíduo D-

ala-D-ala e, por isso, as penicilinas também podem acilar o resíduo de serina do centro activo

da transpeptidase.

Penicilina ligada ao sítio activo -> evita a hidrólise ou a transamidação quer por

efeitos estéricos, quer por induzir uma alteração conformacional na enzima que previne que

este processo ocorra.

No entanto, há factos que contrariam esta teoria:

Ex.: a 6-metilpenicilina é um análogo próximo do resíduo

D-ala-D-ala, por isso devia encaixar melhor no sítio activo e ter maior

actividade. No entanto, apresenta baixa actividade.

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Uma teoria alternativa refere que a penicilina não se liga ao sítio activo, mas nas

proximidades. Ao fazê-lo, a estrutura da penicilina sobrepõe-se ao sítio activo e evita o acesso

dos reagentes normais (efeito guarda-chuva).

- Relacionar a estrutura com actividade dos β-lactâmicos e compreender o

mecanismo químico de formação da ligação irreversível destes com o local activo da

enzima

A grande tensão no anel β-lactâmico faz com que este seja muito mais reactivo.

O complexo intermediário (acil-enzima) formado é de difícil hidrólise nas PBP’s (fácil

hidrólise nas β-lactamases). Este diferente comportamento deve-se ao

facto de as β-lactamases conterem resíduos de ácido glutâmico próximos

do centro activo que atuam como base para activar as moléculas de

águas produzindo assim a hidrólise. Por outro lado as PBP’s têm um

resíduo de fenilalanina nesse mesmo local tornando assim difícil a

hidrólise básica.

Neste caso forma-se uma ligação covalente não se conseguido

clivar esta ligação.

Resistência

Deve-se à:

- Diminuição da captação do fármaco pela célula;

- Baixar a afinidade para as PBP’s (acontece com o MRSA, a PBP-2 é mutada e deixa de se

ligar eficientemente à meticilina).

β–Lactamases (proteases de serina) - enzimas produzidas por m.o. que catalisam a

hidrólise das ligações dos β-lactâmicos e inactivam os β–lactâmicos a ácido penicilóico.

Assemelham-se à transamidase da parede celular, a partir da qual se pensa que elas possam

ter surgido.

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A regeneração hidrolítica do sítio activo é mais fácil com β-lactamases do que

acontece com as transaminases da parede celular, logo a enzima pode regenerar muitas vezes

(quantidade pequena pode destruir uma grande quantidade de fármaco).

Com bactérias gram+, as β-lactamases são normalmente excretadas de forma

contínua para o meio para encontrarem o antibiótico no exterior da parede celular, sendo

assim biossintetizadas em quantidades significativas.

Com bactérias gram-, as β-lactamases são secretadas para o espaço periplasmático,

entre a membrana interna e externa. Assim, embora ainda distante para os PBP´s, elas não vão

para o meio logo não precisam ser tão frequentemente sintetizadas.

No entanto, existem algumas substâncias que se conseguem ligar irreversivelmente

às β-lactamases, como o ácido clavulânico, o sulbactam e o tazobactam, sendo considerados

inibidores suicidas.

As penicilinas são geralmente agrupadas com base no seu espectro de actividade e

na sensibilidade ou resistência às β-lactamases.

Grupo das benzilpenicilinas

A benzilpenicilina (penicilina G) foi uma das primeiras penicilinas a ser utilizadas na

terapêutica, e é ainda bastante utilizada e útil no tratamento

de doenças causadas por microrganismos susceptíveis.

Grupo da cadeia lateral: benzil

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Características:

- Activa principalmente contra cocos Gram- (alguns);

- Activa contra bacilos gram+ não produtores de β-lactamases;

- Activa contra m.o. anaeróbios;

- Activa apenas contra a rápida multiplicação de bactérias;

- Agente de escolha para tratamento de infecções causadas por S.pyogenes e estirpes

susceptíveis de S.pneumoniae e enterococos

Vantagens:

- Bactericida em vez de bacteriostático;

- Obtida facilmente e com baixos custos de produção

Desvantagens:

- Não activa contra para uma grande gama de espécies (pouca actividade contra Gram-)

- Ineficaz quando tomada oralmente (é hidrolisado pelo ácido do estômago). Só pode ser

administrada via parentérica;

- Penicilina-procaínica e penicilina-benzatínica formam soluções insolúveis em água e

poderão ser administrados por via IM (baixos níveis, mas prolongados de penicilina).

- Sensível às β-lactamases;

- Causam reacções alérgicas em alguns indivíduos. Ex.: reacções de aminas biogénicas com

penicilina

Para contornar o problema da hidrólise em meio ácido desenvolveu-se a penicilina V.

Grupo da cadeia lateral: fenoximetil

Pode ser administrada por via oral.

É consideravelmente mais estável em ácido do que a

benzilpenicilina -> justificado pelo átomo electronegativo de

oxigénio no C-7 na cadeia lateral amida, que inibe a sua participação na hidrólise da ligação β -

lactâmica. Obtêm-se níveis maiores e mais prolongados do que os de penicilina G.

O seu espectro antimicrobiano é praticamente o mesmo que a penicilina G, embora

seja um pouco menos potente e não é tão utilizada para infecções graves agudas.

Tem aproximadamente a mesma sensibilidade às -lactamases e alergenicidade que

a Penicilina G.

Penicilinas utilizadas por via parentérica penicilinase-resistentes

Meticilina

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Em desuso (indutor de penicilinases) -> 1ª Penicilina semissintética com resistência às -

lactamases de S.aureus

Os 2 grupos metoxi nas posições orto funcionam como um escudo estérico, o que a torna

resistente às β-lactamases

Como o grupo da cadeia lateral não é electroatractor, é sensível ao ácido (T1/2 de 5 min a

pH=2), logo tem de ser administrada por via parentérica.

1/50 da actividade da penicilina G contra m.o. que são sensíveis à penicilina G.

Tem um espectro bacteriano mais estreito e menos potência - tem pouca actividade

contra algumas estirpes estreptocócicas e é inactiva contra bactérias Gram-. Como tal

inicialmente foi usada para infecções causadas por S. aureus produtores de β-lactamases

e em algumas outras infecções

Recentemente tem aumentado o nº de infecções causadas por S. aureus metacilina

resistentes (MRSA). O modo de resistência parece envolver a formação de uma PBP-2

alterada que tem uma afinidade muito baixa para as β-lactamâmicos, na qual se inclui a

meticilina. Para além disso, esta é um indutor eficiente das penicilinases o que leva a que

actualmente seja substituída por outros fármacos.

Nafcilina

Possui um anel naftaleno como escudo estérico

Possui mais actividade intrínseca que a meticilina

contra estafilococos e estreptococos

Embora seja um pouco mais estável ao ácido que a

meticilina, é clinicamente idêntica a esta

É administrada por via parentérica.

O impedimento estereoquímico proporcionado pelo grupo volumoso da cadeia

lateral quer na Meticilina quer na Nafcilina protege estas penicilinas do ataque por

penicilinases, no entanto, por ser volumoso também reduz a afinidade para a ligação à

transpeptidase, daí serem menos potentes por exemplo do que a penicilina G.

Penicilinas administradas por via oral penicilinase-resistentes

Isoxazolilpenicilinas (Oxacilina, Cloxacilina, Dicloxacilina, Flucloxacilina)

A incorporação do anel isoxazolil na cadeia lateral ->

compostos activos por via oral.

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O anel age como um escudo estérico contra as β-lactamases e é electroatractor

(estabilidade em meio ácido).

A substituição de R1 e R2 no anel por halogéneos dá origem a diferentes fármacos:

Tal como a meticilina, têm uma actividade inferior que a benzilpenicilina quando

usados contra bactérias Gram+ não produtoras de β-lactamases.

São inactivos contra Gram – não conseguem permear a membrana externa

A alteração dos halogéneos leva apenas a alterações farmacocinéticas, como na

absorção e ligação às proteínas plasmáticas:

- A cloxacilina é melhor absorvida na parede intestinal que a oxacilina

- A flucloxacilina está menos ligada às proteínas plasmáticas.

Penicilinas de largo espectro, administradas por via oral e sensíveis a penicilinases

O espectro de actividade mostrado por qualquer penicilina depende da sua

estrutura, da sua capacidade de atravessar a membrana celular de bactérias gram-, da sua

susceptibilidade às β-lactamases, da sua afinidade para a enzima alvo (PBPs), e da taxa a que a

penicilina é bombeada para fora da célula (efluxo) por bactérias gram-.

A busca de antibióticos de amplo espectro foi uma tentativa que consiste em fazer

uma variedade de análogos, sendo que as alterações foram novamente confinadas às

variações na cadeia lateral:

Os grupos hidrofóbicos na cadeia lateral (Ex.: penicilina G

– grupos metilo) favorecem a actividade contra bactérias gram+,

mas resultam numa fraca actividade contra bactérias gram-.

Os grupos hidrofílicos na cadeia lateral têm um pequeno

efeito na actividade de bactérias gram+ (Ex.: penicilina T) ou

causam uma redução da sua actividade (Ex.: penicilina N). No

entanto, estes levam a um aumento na actividade contra bactérias

gram-.

O aumento da actividade de bactérias gram- é maior se o

grupo hidrofílico (Ex.: NH2, OH, CO2H) estiver ligado ao carbono alfa do grupo carbonilo na

cadeia lateral.

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Existem 3 classes de antibióticos de amplo espectro. Todos eles possuem um grupo

alfa-hidrofílico que auxilia a passagem dessas penicilinas através dos canais de porinas da

membrana das células bacterianas Gram-.

Os 3 grupos de penicilinas com espectro de acção alargado são:

- Aminopenicilinas (Ampicilina, Pivampicilina, Talampicilina, Bacampicilina,

Ciclacilina,Amoxicilina);

- Ureidopenicilinas (Piperacilina);

- Carboxipenicilinas (Carbenicilina, Ticarcilina)

Ampicilina

Propriedades:

- Espectro de acção semelhante à penicilina G mas mais

activo contra cocos Gram- e enterococos

- Resistentes ao ácido devido ao grupo amina

(administrado por via oral), possuindo um t ½ de 15 a 20

h a pH=2 e a 35 ºC

- Não-tóxicos

- Sensíveis às β-lactamases (não há escudo estérico)

- Ineficazes contra Pseudomonas aeruginosa

- Podem causar diarreias ou colites pseudomembranosas devido à fraca absorção a nível

intestinal, no máximo 40% -> desregulação da flora saprófita (colonização de bacilos gram-

e fungos).

- O grupo amina está sempre protonado (meio ácido e em meio neutro), o que confere

acção contra as bactérias gram- porque há penetração para o interior das células através

dos canais de porinas, uma vez que a molécula se encontra electricamente neutra (espécie

anfotérica).

- Os grupos amina 1º, por outro lado, em preparações com elevada concentração de

ampicilina, podem formar ligações com o anel β-lactâmico de outras moléculas, formando

agregados de alto peso molecular. Estes são considerados antigénios responsáveis pela

alergenicidade à ampicilina, uma forma de hipersensibilidade.

Pró-fármacos de ampicilina (Pivampicilina,Talampicilina,Bacampicilina)

Tendo em conta que a ampicilina é fracamente absorvida na parede do intestino (por

via oral), pois possui um grupo amina livre e um ácido carboxilico livre -> uso de pró-fármacos

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A ampla distribuição de esterases no organismo faz com que os ésteres sejam os pró-

fármacos mais comuns para fármacos com estrutura de ácido carboxílico.

As principais limitações deste método devem-se à formação de compostos pouco

aconselháveis depois da hidrólise pelas esterases. E à elevada estabilidade dos ésteres in vivo -

> grupo carbonilo é inacessível ao centro activo da esterase -> impedimentos estéricos.

Resolução

Preparação de aciloximetil ésteres, nos quais o grupo éster externo é mais facilmente

acessível ao centro activo da esterase.

Ex. de pró-fármacos da ampicilina são a Pivampicilina, a Talampicilina e a

Bacampicilina

A bacampicilina é um pro-fármaco não-tóxico, com uma absorção no duodeno de 80

a 98% que se decompõe em ampicilina e outros metabolitos naturais do corpo: CO2, etanol e

acetaldeído que é metabolizado de seguida pela álcool desidrogenase, produzindo ácido

acético.

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Amoxicilina

- Análogo da ampicilina, diferindo apenas na adição de um

grupo hidroxilo na posição para do grupo fenil da cadeia

lateral. A sua vantagem em relação à ampicilina é devido à

alteração de cargas que produz o grupo adicional “fenólico

hidroxilo” -> alterar o ponto isoeléctrico para um valor mais acídico, o que conjugado com

os transportadores intestinais vai aumentar os seus níveis no sangue -> melhor absorção

oral (74 a 92%), com diminuição dos distúrbios na flora GI e menos diarreia. O seu uso

clínico e o seu espectro de acção são sensivelmente os mesmo que os da ampicilina.

- A sua síntese implica os seguintes passos:

1º A condensação do grupo amina com um reactivo β-dicarbonilico que forma uma imina

(ou base de Schiff) que se tautomeriza a uma enamina estabilizada por pontes de

hidrogénio intramoleculares.

2º Adição de um grupo activador (N-metilmorfolina) para activar o grupo carbonilo do

carboxilato.

3º Adição de um

derivado do 6-APA

que vai reagir com o

grupo carbonilo

activado.

4º Colocação em

meio ácido suave ->

remover o grupo

responsável pela

protecção inicial da

amina.

Inibidores das β-lactamases (ácido clavulânico, sulbactam e tazobactam)

Ácido Clavulânico

- Tem actividade antibiótica fraca, no entanto, é um

poderoso inibidor irreversível das β-lactamases.

- Utilizado com penicilinas tradicionais (amoxicilina) –

aumenta o espectro de actividade.

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- Anel β-lactâmico está fundido com um anel oxazolidina.

- Não têm uma acil-amina na cadeia lateral.

- Acredita-se que o grupo 9-hidroxilo forma pontes de H com o sítio activo da lactamase.

Mecanismo de acção:

- Ocorre a ligação ao sítio activo da enzima, com abertura do anel β-lactâmico ao ligar-se a

um resíduo de serina do local activo;

- O intermediário acil-enzima reage com outro grupo nucleofílico enzimático que abre o

anel oxazolidina, formando uma ligação irreversível com a enzima;

- Em seguida há perda/ganho de protões, pelo que pode haver aceitadores/dadores no

local como histidina e há libertação de subprodutos do composto inicial.

São características fundamentais para a ocorrência do mecanismo:

- Anel β-lactâmico rígido

- Éter enólico formado a partir do anel oxazolidina

- A ligação dupla do éter enólico ter configuração Z

- Não haver substituição no C-6

- Estereoquimica-R nas posições 2 e 5

- Existência do grupo ácido carboxílico na posição C-2

23

Sulbactam e Tazobactam

Tal como o ácido clavulânico, estes dois agem como substratos suicidas para as β- lactamases e

têm propriedades semelhantes

Sulbactam:

- Tem um espectro de actividade contra as β-lactamases

maior que o ácido clavulânico mas é menos potente;

- É combinado com ampicilina e administrado via IV

Tazobactam:

- Tem um espectro de actividade similar ao sulfabactam mas a potência é

mais similar ao ácido clavulânico

- Administração via IV com piperacilina. Esta combinação tem o maior

espectro de acção.

- Importa no entanto referir, que nem todas as β-lactamases são sensíveis á

presença destes 3 inibidores

Penicilinas de largo espetro, administradas por via parentérica e sensíveis a penicilinases

Ureidopenicilinas (Piperacilina)

- Derivado da ampicilina, na qual o

grupo D-amino da cadeia lateral foi

convertido, por processos químicos,

num análogo substituído de ureia.

- Preserva a actividade da ampicilina

contra bactérias Gram+ e aumenta a

actividade contra Gram-. Ex.: Ampicilina não possui atividade contra P. aeruginos, o que já

ocorre com a Piperacilina.

- O grupo adicional análogo da ureia aumenta o nº de pontos possíveis de fixação nas PBPs

e talvez este recurso seja o responsável pela sua actividade antibacteriana aumentada.

- No entanto, tal como a ampicilina este antibiótico é sensível às β-lactamases, sendo

normalmente co-administrado com tazobactam, que é um inibidor suicida das β-

lactamases.

Alfa-carboxi-penicilinas (Carbenicilina e Ticarcilina)

24

- A Carbenicilina é um análogo da benzilpenicilina em que um dos H metilenos da cadeia

lateral é substituído por um ácido carboxílico.

- A introdução do grupo carboxilo aumenta a actividade contra as Gram–, não tanto como

os ureidopenicilinas, no entanto diminui a actividade contra as Gram+.

- É susceptível contra as β-Lactamases e instável em meio ácido porque como é um ácido β-

oxocarboxilico descarboxilando-se em benzilpenicilina, que apesar de ser um antibiótico,

não é activo contra as mesmas bactérias que a Carbenicilina, considera-se um produto de

degradação.

- A adição de grandes quantidades de Carbenicilina sódica pode levar a problemas

cardíacos (interferências na homeostase do Na) -> utilização de pró-fármacos como éster

indanilo de Carbenicilina que já poderá ser utilizado por via oral, uma vez que possui

melhor absorção nas paredes do intestino.

- A Ticarcilina apresenta uma estrutura semelhante à

carbenicilina, apresentando, no entanto, um anel

tiofeno no lugar do grupo fenil, sendo um bio-isóstero

da carbenicilina.

- Não sofre descarboxilação e é administrado por

injecção, tal como a carbenicilina

- O seu espectro antibacteriano é semelhante à carbenicilina, no entanto podem ser usadas

doses menores e é 2-4 vezes mais efectivo contra a P. aeruginosa possuindo menos efeitos

adversos;

- Pode ser administrado com ácido clavulânico para alargar o seu espectro de acção

(quando é adicionado um clavulanato de potássio à ticarcilina, a associação melhorou a

actividade contra as pseudomonas, uma vez que aumentou a estabilidade perante as β-

lactamases).

Antibióticos β-lactâmicos – Cefalosporinas

1. Estruturas, preparação e propriedades químicas

1.1 – Conhecer a origem, a estrutura e as características da Cefalosporina C

25

A cefalosporina C foi obtida de um fungo de águas de esgoto - Cephalosporim

acremonium.

Estrutura

Observa-se que a Cefalosporina C

contém um sistema bicíclico contendo um

anel β-lactâmicos de 6 membros – anel

dihidrotazina.

Este anel maior alivia a tensão do

sistema bicíclico, apresentando, por isso,

menor reactividade que as penicilinas.

Deriva dos mesmos aminoácidos que a penicilina (cisteína e valina), mas no caso da

cefalosporina estão envolvidos 4 reagentes na sua síntese (os ditos aminoácidos, ácido acético

e um ácido carboxílico).

Propriedades das Cefalosporinas

Não são particularmente potentes quando comparadas com as penicilinas, mas têm

uma actividade antibacteriana que abrange tanto Gram+ como Gram-.

São, também, mais resistentes à hidrólise ácida observada no estômago e à hidrólise

pelas β-lactamases. Têm menos probabilidade de provocar reacções alérgicas.

1.2 - Conhecer o modo de obtenção do ácido 7-aminocefalosporânico (7-ACA)

(hidrolise química) a partir da cefalosporina C.

Não é possível obter o 7-ACA nem por fermentação nem por hidrólise enzimática

(cadeia lateral δ-aminodipoílo com considerável resistência) da cefalosporina C -> alternativa:

hidrólise química (pelas amidases que transformam a cefolosporina C).

A hidrólise química não é fácil, uma vez que a amida 2ª tem de ser hidrolisada na

presença do anel β-lactâmico que é altamente reactivo (preferencialmente hidrolisado). Assim,

a estratégia que se utiliza tira partido do facto de o N do anel β-lactâmico não ser capaz de

partilhar o seu par de e- com o grupo carbonilo vizinho.

26

O 1º passo do procedimento requer a formação de uma ligação dupla entre o azoto

na cadeia lateral e o seu grupo carbonilo vizinho. Isto só é possível para o grupo amina 2º

(tensões do anel previnem o N β-lactâmico de formar uma dupla ligação dentro do anel β-

lactâmico). Um Cl é então introduzido para formar um cloreto de imino que pode ser tratado

com álcool para dar um imino éter -> mais susceptível à hidrólise que o anel β-lactâmico cujo

tratamento com ácido dá origem ao 7-ACA que pode ser acilado para dar origem a análogos.

Um outro método usa cloreto de nitrosilo usado para diazotar um grupo amino livre

da cadeia lateral α-aminodipoilo. A substituição do catião diazónio formado pela forma enólica

do grupo amida da cadeia lateral origina um iminoéter cíclico que se hidroliza facilmente com

ácidos diluídos para dar 7-ACA.

27

Outra estratégia para atingir a hidrólise quimiosselectiva tem aplicação mais ampla e

produz rendimentos mais elevados. Neste caso, as funções carboxílicas estão protegidas por

trimetilsilação (usando hexametildisilazida). Por acção posterior de pentacloreto de fósforo,

consegue-se a transformação da função amida a um imino cloro, que se transforma iminoéter

na presença de álcoois 1º. Esta reacção envolve a simultânea desprotecção do grupo ácido.

Finalmente, a hidrólise deste iminoéter ocorre em condições suaves, como no caso do 7-ACA.

1.3 - Explicar a importância do 7-ACA, conhecer o processo de semi-síntese de

cefalosporinas bem como os principais objectivos de síntese;

A acilação do 7-ACA (método análogo ao utilizado com as

penicilinas) originou derivados como a cefalotina (1ª cefalosporina semi-

sintética que se comercializou). Esta possui um amplo espectro de acção

mas tem um curto t1/2 (uma vez que não apresenta substituição em C-3 é

desacetilada por esterases do soro e desta forma o álcool formado dá

origem a uma lactona por ciclização com o grupo carboxilocomposto

inactivo). Por esta razão, em muitas cefalosporinas semi-sintéticas

modificou-se a cadeia acetoximetílica mediante o tratamento com nucleófilos de azoto e

enxofre.

28

1.4. Entender a isomerização da dupla ligação C3 em meio básico (que muitas vezes

é necessário na síntese de cefalosporinas) e recuperação dos derivados activos

A ligação dupla C3 pode isomerizar-se em meio básico para dar derivados

insaturados em C2 que carecem de actividade

antibacteriana: mobilização da dupla para

C3hidrogénios em C4 tornam-se acídicos (facilmente

removidos devido a molecula ser fortemente

electroatractora na zona de baixo)presença de H em

C2isomerização.

Existe a possibilidade de transformar estes

derivados inactivos nos seus isómeros activos através

da oxidação com perácidos a sulfóxidos e posterior redução com PBr3.

1.5 Entender a transformação de penicilinas em cefalosporinas e a importância

desta transformação

É muito mais rentável produzir uma cefalosporina a partir de uma penicilina. Essa

transformação inclui a passagem da penicilina (V ou G) a sulfóxido por acção de perácidos

como o m-cloroperbenzóico (AMPCB) em presença de ácidos (Ex.: ácido p-toluenosulfónico).

Consiste numa transposição de Pummerer modificada (ou de Morin) que começa com a

protonação do sulfóxido e continua com a abertura do anel de tiazolidina (ou formação de um

3º ciclo) e perda de água, seguida de uma reorganização que inclui a expansão do anel de

dihidrotiazina. O produto final é uma cefalosporina 3-metilada. Este grupo metil é mau para a

actividade(diminui a reactividade porque não é um bom grupo abandonante mas proporciona

uma boa absorção oral.

29

1.6 Descrever as características estruturais das cefalosporinas e a consequente

reactividade química associada, incluindo semelhanças/diferenças em relação às

penicilinas

Nas cefalosporinas, o anel β-lactâmico é

do tipo enamida. O par de e- não ligantes do

azoto lactâmico fazem ressonância com a dupla

ligação, fazendo com que o carbonilo fique

reactivo como electrófilo e portanto seja activo

biologicamente. Pretendem-se compostos que:

- Tenham no C3 grupos electroatractores que

facilitem a ressonância -> composto + reactivo.

- Tenham bons grupos de saída, o ataque por

nucleófilos pode produzir eliminação simultânea com a abertura do anel.

Nota: compostos electroatractores “destabilizam” o azoto que resgata um par de e- ao oxigénio do carbonilo

adjacente. Isto torna o anel mais reactivo acção pretendida visto as cefalosporinas terem um anel bicíclico +

estável que o das penicilinas.

1.7. - Conhecer o mecanismo de abertura do anel β-lactâmico por hidrólise e os

factores estruturais que modulam esta reacção

A abertura do anel β-lactâmico por nucleófilos é mais complexa que nas penicilinas já

que supõe a reestruturação do anel de dihidrotiazina com a saída do anião acetato.

Quando o anel β-lactâmico é aberto por hidrólise, o grupo acetoxi pode ser expulso,

levando à formação de uma carga positiva -> reduz muito a energia necessária para o

processo. Assim, a facilidade com que a ligação β-lactâmica é quebrada depende da natureza

do substituinte C-7 (análogo às penicilinas), bem como da natureza do substituinte C-3 e sua

capacidade de servir como um grupo abandonante.

O substituinte acetoximetilo na posição C-3 metaboliza-se facilmente no organismo

pela acção das esterases, para dar um hidroxiderivado com menor actividade antibacteriana

que por sua vez origina uma lactona praticamente inactiva.

1.8 - Conhecer a estabilidade das cefalosporinas em solução aquosa e consequência

30

A maioria é relativamente instável em soluções aquosas (ex: charopes vêm por

preparar e um dos cuidados a ter é de o colocar no frigorifico após preparação pois a água

acaba por abrir o anel)

Grande parte da perda de reactividade é compensada pela posse de uma ligação

olefínica (ligação dupla) em C-2, 3 e um grupo metilenoacetoxi em C-3. Um apoio considerável

para essa hipótese vem da constatação de que a isomerização da ligação olefínica de C-3, 4

leva a grandes perdas na actividade antibiótica.

1.9 - Conhecer a importância dos sais de sódio das cefalosporinas

Igual à penicilina.

Instabilidades Químicas Clinicamente relevantes

A instabilidade química principal está associada à hidrólise da ligação ß-lactâmica.

O grupo (MTT) tetrazoletiometilo encontrado em algumas cefalosporinas, é capaz de

sofrer eliminação -> actua ao nível da ADH. Pode ser responsável por dificuldades de

coagulação e intolerância ao álcool aguda em alguns pacientes. Aumenta a potência do

composto.

1.10 - Explicar a importância da esterificação do grupo carboxilo e suas

consequências

A esterificação do grupo carboxilo das cefalosporinas origina, como nas penicilinas,

pró-fármacos com melhores propriedades devido à sua solubilidade. No entanto, devido à

conjugação do grupo carboxilato com a dupla ligação, estes ésteres experimentam com

facilidade a isomerização desta na posição 2. Os isómeros assim formados, depois do éster

hidrolisado pelas esterases hepáticas, tornam-se muito menos activas já que o anel de 6

membros possui uma maior liberdade conformacional que permite ao par de e- não

compartilhados do azoto, adoptar uma disposição que se conjuga com o grupo carbonilo β-

lactâmico, perdendo a sua actividade biológica.

31

2. Reacções clinicamente relevantes de degradação das cefalosporinas

2.1 Conhecer a abertura do anel β-lactâmico por hidrólise, a característica do

processo e o papel dos substituintes em C3 e em C7 neste processo

A saída do substituinte em C3 seguida da quebra da ligação β-lactâmica é feita por

conveniência. Quando o anel β-lactâmico é aberto por hidrólise, o grupo acetoxi pode ser

removido, levando consigo a carga negativa, o que reduz a energia do processo. Este facto

pode levar a equívocos, pois em algumas cefalosporinas específicas, após a saída da cadeia

lateral pode haver um intermediário com a ligação β-lactâmica quebrada e o substituinte C3

ainda não eliminado, enquanto que outras cefalosporinas têm substituintes C3 não-ejectáveis.

A cadeia lateral em C7 é muito importante, em que o grupo amida funciona de

maneira análoga às penicilinas. As mesmas considerações são feitas para modular a

estabilidade química no que toca à sensibilidade às β-lactamases, potência e alergias.

Deste modo, a facilidade com que a ligação β-lactâmica das cefalosporinas se abre é

modulada por ambas, a natureza do substituinte em C7 (tal como nas penicilinas), bem como a

natureza do substituinte em C3 e a sua facilidade de servir como grupo abandonante.

3 – Metabolismo

3.1 – Conhecer e explicar a problemática das cefalosporinas com grupo acetilo na

cadeia lateral.

A reactividade química desta cadeia lateral permite a sua manipulação para obter

análogos estáveis às esterases. Os mais comuns obtêm-se por redução catalítica, para dar

metilderivados, ou por substituição nucleofílica com mercaptidas ou aniões azida.

3.2 -Conhecer a estrutura e a síntese da cefalotina e a sua instabilidade metabólica e

a estrutura e características da cefaloridina.

Instabilidade metabólica

Substituindo o éster da cefalotina por um grupo estável

pirimidico obtemos a cefaloridina. A piridina pode actuar como um bom

grupo abandonante e não é clivada por estereases. Cefaloridina existe

na forma de zwiterião e é solúvel em água.

32

3.3- Explicar a importância da variação dos substituintes em C3 (tratamento

com nucleófilos diferentes) na resistência à hidrólise enzimática.

A redução das azidas origina aminas, que são susceptíveis de novas reacções de

derivação. As reacções de substituição mencionadas podem decorrer pelo mecanismo de

substituição SN1 (devido ao catião intermediário poder estabilizar-se por ressonância).

4. REA – conhecer os principais aspectos estruturais relevantes para a sua

actividade farmacológica – grupo amina ligado à cadeia acilamina 7β; amida 7β;

grupo alcoxi 7α; S no anel di-hidrotiazina; H 6α; substituinte em C3; características

estruturais importantes para a resistência às beta-lactamases.

A adição de um grupo amino e um hidrogénio nas posições α

e α’, respectivamente, resulta num composto básico que é

protonado nas condições ácidas do estômago -> o ião amónio

melhora a estabilidade do anel β-lactâmico das cefalosporinas,

dando origem a fármacos oralmente activos.

O grupo amino 7β é essencial para a actividade antimicrobiana (espectro de acção),

enquanto que a substituição do hidrogénio C7 por um grupo alcoxi (X=H passa a X=OR)

resulta numa melhoria da actividade antimicrobiana.

Em derivados específicos das cefalosporinas, a adição de um grupo metoxi 7α, também

aumenta a estabilidade contra as β-lactamases.

Os derivados com enxofre no anel di-hidrotiazina (Y=S) apresentam uma actividade

antibacteriana superior aos derivados com O (Y=O), sendo este mais estável às β-

lactamases.

O hidrogénio 6α é essencial para a actividade biológica.

A actividade antibacteriana é melhorada quando Z é um heterociclo de 5 membros.

Alterações que aumentam a resistência às β-lactamases

1. Isómero-L de um derivado α amino α’ hidrogénio 30 a 40 vezes

mais estável que o isómero-D.

2. Adição de uma metoxioxima (posições α e α’) aumenta a estabilidade

cerca de 100 vezes.

3. Z-oxima é cerca de 20.000 vezes mais estável que a E-oxima.

33

Há, como já foi referido, uma diminuição na tensão do anel,no entanto isto é

parcialmente compensado pelo grupo acetoximetil na posição 3 que pode actuar como bom

grupo abandonante no mecanismo de inibição da transpeptidase.

O nº de locais onde podem ser feitas modificações é

limitado, mas há mais possibilidades do que com as penicilinas:

Variações na cadeia lateral 7-acilamino

Variações na cadeia lateral 3-acetoximetil

Substituição extra no carbono 7

5. Mecanismo de acção e resistência às β-lactamases

1ª geraçãomelhor actividade contra cocos Gram+ e usados contra infecções

nosocomiais de Gram-.

A maioria é fracamente absorvida via oral e necessitam ser injectadas.

O seu maior problema, tal como o das penicilinas, é o aparecimento de organismos

resistentes, principalmente nos Gram- (contêm β-lactamases mais efectivas). Os escudos

estéricos são usados com sucesso na protecção das cefalosporinas, mas por outro lado,

anulam o seu efeito de inibir as transpeptidases.

A cefalosporina mais activa da 1ª geração é a CEFALOTINA. É mais activa do que a

penicilina G contra bactérias Gram-.

34

6. Nomenclatura e classificação

6.1. Saber atribuir a numeração ao núcleo base das cefalosporinas.

6.3. Identificar os centros assimétricos das cefalosporinas e a sua importância

Têm 2 centros assimétricos em C-6 e em C-7.

Estes compostos assimétricos são importantes pois conferem à

molécula a estrutura adequada para que ocorra a ligação às proteínas

presentes na parede bacteriana e possam, desse modo, exercer o seu

efeito.

7. Agentes específicos – Conhecer as estruturas e principais características de cefalosporinas

utilizadas na prática clínica.

7.1 Cefalosporinas de primeira geração

Fracamente absorvidas no intestino, tendo de ser administradas por via parentérica.

Escudos estéricos têm tido um sucesso na sua protecção contra ß-lactamases, mas

também previne a sua ligação à enzima transpeptidase

35

7.1.1 Cefalotina – entender a sua desvantagem e o desenvolvimento da cefaloridina

Menos probabilidades de causar reacções alérgicas

A desvantagem da cefalotina é que tem um grupo

aciloxi na posição 3.

O acetiloxi é importante para o mecanismo de inibição

porque age como um bom grupo de saída que leva a

carga negativa consigo enquanto que o álcool é um

mau grupo de saída.

Isto foi resolvido substituindo o éster por um

grupo piridina – cefaloridina.

A piridina age como um bom grupo de saída para

o mecanismo de inibição, mas não é clivada pelas

esterases.

A cefaloridina existe como zwiterião e é solúvel

em água

Fraca absorção intestinal – Tem que ser administrada via parenteral

7.1.3 Cefazolina (cadeia lateral em C7 com a unidade tetrazolilmetileno)

Cadeia lateral em C7 com a

unidade tetrazolilmetileno

Tem o grupo acetilado

natural em C3 substituído

36

por um tio ligado a um anel de tiadiazole. Apesar de este ser um grupo abandonante

activo, este não está sujeito à reacção de hidrólise provocada pelo metabolismo como

acontece na cefapirina.

A sua injecção (IM) é menos irritante

Tempo de meia-vida é maior do que cefapirina.

É relativamente instável e deve ser protegida do calor e da luz.

7.1.4 Cefalexina

A cadeia lateral em C7 é do tipo ampicilina confere actividade oral.

Não tem substituinte em C3 menor potência. No entanto, não sofre desactivação

através do metabolismo, portanto, mantêm a potência.

Rápida e completamente absorvida no tracto GI

É usada particularmente em infecções Gram - no tracto urinário e em infecções Gram

+ de tecidos moles, faringite e pequenas feridas.

7.1.6 Cefradina – reconhecer a diferença estrutural em relação à cefalexina e suas

vantagens

Apresenta em C-7 uma cadeia lateral tipo

ampicilina cujo anel aromático foi

parcialmente hidrogenado (perde as ligações

conjugadas) por uma redução de Birch,

contudo a molécula permanece planar e com excesso de electrões π.

É estável em meio ácido

Rápida e completamente absorvida pelo TGI.

Administração oral e parentérica.

7.2 Cefalosporinas de segunda geração

7.2.1 Cefamandole (nafato)

Tem um grupo amida D-mandélico formilado em C-7. O ester formato é

clivado rapidamente para libertar cefamandole (produto mais activo). A

esterificação também, aparentemente, supera a instabilidade do

cefamandole quando ele é armazenado em forma seca.

A perda da porção 5-tio-1-metil-1H-tetrazole (referida, por vezes, com a sigla MTT) de

C-3 está associada à deficiência de protrombina e problemas de hemorragia, bem

como com uma intolerância ao álcool Antabuse-like aguda. Por outro lado, este

agrupamento aumenta a potência e impede o metabolismo por deacetilação.

37

7.2.3 Cefuroxima

O grupo metoxi-imino possui orientação estereoquímica Z. Isto confere á molécula

uma resistência contra ataques de muitas ß-lactamases. Acredita-se que isto resultou

das necessidades estéricas deste grupo. Esta hipótese é reforçada pela constatação de

que o análogo-E é atacado por ß-lactamases.

A fracção carbamoil em C-3 é intermediário na estabilidade metabólica entre as

porções clássicas acetil e tiotetrazoles

O pró-farmaco (1-[acetiloxi]etil ester], cefuroxima

axetil, é mais lipofílico, produzindo níveis sanguíneos

satisfatórios na administração oral - maior absorção.

A ligação éster é clivada metabolicamente,

resultando numa forma intermediária que perde o

acetaldeído espontaneamente produzindo cefuroxima.

7.2.4 Cefaclor – reconhecer a diferença estrutural em relação à cefalexina e

ampicilina

Difere da cefalexina

principalmente na substituição

de bioisostérica de um metil pelo

cloro em C-3.

7.2.8 Cefoxitina (é uma cefamicina – Y=OCH3)

A característica química inovadora é a

presença de um grupo metoxil α-orientado no lugar

do normal átomo-H em C-7. Este aumento de

volume estérico impede o ataque de ß-lactamases.

Mostra estabilidade metabólica contra

esterases, devido à presença de um grupo uretano

em vez de um éster na posição 3.

Grupo uretano

38

7.2.9 Cefotetano (é uma cefamicina – Y=OCH3) – conhecer a sua estabilidade

química e incompatibilidades químicas e consequências

Inspirado na cefamicina C, mas tem um incomum enxofre em C-7 na cadeia lateral

amida.

É relativamente estável, com duração de aproximadamente 24 horas à temperatura

ambiente, quando reconstituído.

É quimicamente incompatível com tetraciclina, aminoglicosídeos, e com a heparina,

muitas vezes formando precipitados com eles.

No que diz respeito ao seu modo de acção molecular, tem uma afinidade especial para

PBP-3 de bactérias Gram- -> a produção de formas filamentosas.

Também se liga bem com PBP-1A e 1B -> levado à lise celular e morte.

7.3. Cefalosporinas de terceira geração

7.3.1 Cefotaxima

Tanto a cefotaxima, como a cefuroxima, tem uma porção Z-metoxi-imino no C7, que

permite resistência significativa às β-lactamases, devido ao impedimento estérico. Na maior

parte dos casos perde-se a actividade antibacteriana, como era de prever, já que se impede

igualmente o acesso as PBPs, mas foram encontrados alguns derivados alcoximino que são

estáveis às ß-lactamases e activos, como é o caso da cefotaxima e da cefuroxima.

7.3.1.2 Compreender a importância do anel aminotiazole.

A substituição do anel de furano da oximinocefalosporina, por um anel de

aminotiazole aumenta a penetração de cefalosporinas através da membrana externa de

bactérias Gram-, sendo que em muitas também aumentam a afinidade para a enzima

transpeptidase. A variedade de tais estruturas foi preparada com diferentes substituintes na

posição 3, de modo a variar as propriedades farmacocinéticas dos análogos. A sua actividade

contra cocos Gram+ é variável.

39

7.3.1.3 Conhecer a problemática associada ao substituinte em C3.

Tem um grupo acetoxi metabolicamente vulnerável ligado ao C3 e perde cerca de

90% de sua actividade quando este é hidrolisado. Esta característica metabólica também

complica os dados farmacocinéticos, porque ambas as formas activas estão presentes e têm

propriedades diferentes.

7.3.1.4 Conhecer a sua estabilidade química e cuidados na sua conservação.

Cefotaxima deve ser protegida do calor, da luz.

7.3.3 Ceftriaxona – conhecer as vantagens associadas ao substituinte em C3.

Tem o mesmo substituinte na cadeia lateral em C7 que a cefotaxima e a ceftizoxima,

mas a cadeia lateral em C3 consiste numa tiotriazinediona activadora metabolicamente estável

no lugar do grupo acetil normal.

A cadeia lateral em C3 é suficientemente ácida para que, a pH normal, se forme um sal

de sódio enólico; assim, a forma comercial é um sal dissódico.

É útil em muitas infecções graves, particularmente no tratamento de algumas

meningites causadas por bactérias Gram-.

É bastante estável a muitas β-lactamases mas é sensível a algumas β-lactamases

cromossómicas indutíveis.

7.3.4 Ceftazidima – entender as vantagens associadas a estrutura do substituinte

oxima (existente na cadeia lateral em C7) e ao substituinte em C3 e a sua

estabilidade química e cuidados na sua conservação.

Na ceftazidima, o substituinte oxima é mais complexo (contém dois grupos metilo e um

ácido carboxílico), o que lhe confere:

Maior estabilidade às β-lactamases;

Maior actividade contra P. aeruginosa;

Maior actividade contra microrganismos Gram+.

A cadeia lateral em C3 foi reposta por um substituinte pyridinium carregado, que

aumenta consideravelmente a solubilidade em água e activa a ligação β-lactâmica em direcção

à clivagem.

O fármaco deve ser protegido do calor e da luz e pode ser armazenado sem perda

significativa de potência. Instável sob determinadas condições, como a presença de

aminoglicosídeos e vancomicina. É rapidamente atacado em soluções de bicarbonato de sódio.

A resistência é mediada por β-lactamases cromossómicas e pela não penetração na

bactéria-alvo. Caso contrário, tem um espectro antibacteriano muito amplo.

40

7.4. Cefalosporinas de quarta geração

7.4.1 Conhecer as características estruturais comuns e a sua importância.

Cefepima e cefepiroma são OXIMINOcefalosporinas.

Compostos zwitterónicos, com um substituinte carregado positivamente na posição 3

(pirrolidina e ciclopentopiridinium, na cefepima e cefepiroma, respectivamente), e um grupo

carboxilato carregado negativamente na posição 4, o que lhes confere neutralidade e,

consequentemente, melhora a capacidade para penetrar na membrana externa das bactérias

gram- (incluindo P.aeruginosa e muitas das espécies de Enterobactérias).

Apresentam uma boa afinidade para a enzima transpeptidase e uma baixa afinidade

para as β-lactamases.

7.4.2 Cefepima – compreender a influência da estrutura em C7 (sin-metoxi-imina e

anel aminotiazolilo) e do grupo em C3 (N-metilpirrolidina).

A estrutura em C7 (Z-metoxi-imina e anel aminotiazolito)

é responsável por aumento do seu espectro de acção, visto que

confere estabilidade face às β-lactamases e aumenta a actividade

contra estafilococos.

O grupo em C3 (N-metilpirrolidina) ajuda na penetração

em bactérias Gram-.

É semi-sintética e é administrada IV ou IM em infecções

do tracto urinário, pele, pneumonia e infecções intra-abdominais.

7.4.3 Cefepiroma.

8. Antibióticos β-lactâmicos - Carbapenemos

8.1 Tienamicina

41

Foi isolada do Streptomyces cattleya.

O grupo hidroxietil da cadeia lateral e a estereoquímica da cadeia lateral

na posição 6 é oposta à estereoquimica usual nas penicilinas (factores que

contribuem para a resistência às beta-lactamases).

Não é absorvida no TGI.

A sua estrutura não possui o átomo de enxofre nem a cadeia lateral acilamina, as quais se

pensava serem essenciais para a actividade antibacteriana.

Uma vez que o C tem aproximadamente metade do tamanho molecular de S, o sistema de

anéis fica com elevada tensão -> muito susceptível a reacções de clivagem do anel β-lactâmico.

O átomo de enxofre encontra-se ligado ao C-3, como parte de uma cadeia lateral

funcional. A ligação dupla olefínica endocíclica também aumenta a reactividade do anel β-

lactâmico.

Assim, numa só molécula combinam-se as características funcionais dos β-lactâmicos, bem

como as dos inibidores de β-lactamases.

No entanto o facto da cadeia lateral do C-3 ser muito nucleofilica, leva a que esta tenha a

capacidade de atacar a ligação β-lactâmica de uma molécula vizinha através de uma reacção

intermolecular destruindo a actividade.

Este problema foi então solucionado, alterando o grupo amino para um menos

nucleofílico por um processo semi-sintético produzindo imipenemo.

8.1.2 Conhecer as vantagens/desvantagens da tienamicina

Vantagens:

Muito potente

Amplo espectro de acção contra bactérias Gram + e Gram – (incluindo P.aeruginosa)

Fraca toxicidade

Elevada resistência às β-lactamases ⇒ Devido ao grupo hidroxietil da cadeia lateral

Desvantagens:

Tem pouca instabilidade química e metabólica

Fraca absorção oral (devido ao grupo hidroxietil na cadeia lateral que é muito polar)

8.1.3 Conhecer a estereoquímica absoluta

No C6 existe um grupo 2-hidroxietil com α-estereoquímica. Assim, a estereoquímica

absoluta da molécula é 5R, 6S, 8S. Logo, os análogos da tienamicina ligam-se diferentemente

às PBP’s em relação com as penicilinas (o que confere resistência às β-lactamases).

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42

8.2 Imipenemo

8.2.1 Conhecer a estrutura e características

É um análogo da tienamicina, penetra igualmente

bem através das porinas e é muito estável. É inibitório de

muitas β-lactamases. Não é, contudo, activo quando

administrado por via oral.

É útil no tratamento de algumas infecções que

não respondem às cefalosporinas ou que se tornaram

resistentes aos β-lactâmicos convencionais.

O fármaco é metabolizado pela desidropeptidase-

1 renal, que hidrolisa o anel β-lactâmico, desactivando-o e produzindo metabolitos tóxicos

para os rins.

A cilastatina, um inibidor desta enzima, é co-administrada com o imipenemo para o

proteger do metabolismo. Esta preparação é conhecida por Primaxin (ligação às proteínas –

25%) e é útil para o tratamento de infecções severas de bacilos Gram-, anaeróbios e S. aureus.

E tem um maior risco de desenvolvimento de reacções alérgicas. Para além disso, a inibição da

desidropeptidase não parece ter efeitos nefastos para o doente, o que torna esta combinação

altamente eficaz no tratamento de infecções do tracto urinário.

Quando injectado, penetra bem na maioria dos tecidos, mas não no LCR e é

excretado pela urina. Tem um espectro de acção mais alargado que qualquer outro

antibiótico.

É um indutor de β-lactamases -> Combinação imipenemo-cilastatina raramente é um

fármaco de 1ª escolha, sendo reservado para circunstâncias especiais.

8.3 Meropenemo

- Reconhecer as diferenças estruturais em relação à tienamicina e ao imipenemo

43

É um análogo da tienamicina, é ligeiramente menos activo que o

imipenemo contra bactérias Gram+, mas é mais activo contra bactérias

Gram-. Ao contrário do imipenemo, é activo contra a P. aeruginosa.

Pode ser administrado isoladamente, uma vez que o substituinte

diferente na posição 2 o torna mais resistente às desidropeptidases ->

impede encaixe na enzima.

Tanto o meropenemo como o imipenemo conseguem penetrar na membrana externa

das bactérias Gram- através das porinas, mas o primeiro entra mais eficientemente e, por isso,

tem uma maior actividade contra estas bactérias.

Uso clínico: pneumonias, meningites, infecções abdominais e do tracto urinário.

- Compreender a importância do grupo α-CH3 em C4.

O meropenemo é um carbapenemo sintético que possui uma cadeia lateral complexa

em C3. Tem também um grupo metil quiral em C4. Este grupo metil confere resistência

intrínseca à hidrólise pela desidropeptidase-1. Como consequência, pode ser administrado

como agente único para o tratamento de infecções bacterianas severas.

- Ertapenemo – conhecer a estrutura e características, comparando-o com os

análogos anteriores

Apresenta uma cadeia lateral bastante complexa em C-3;

Tem estrutura similar ao meropenemo, e tal como este, o grupo 4-β-metil confere

estabilidade face à desidropeptidase-1;

É usado uma vez por dia parentericamente, com utilização especial contra anaeróbios;

Não é activo contra pseudomonas nem acinobactérias;

Não deve ser substituído pelo imipenemo nem pelo meropenemo;

O ácido benzóico ionizado contribui para a sua boa ligação a proteínas plasmáticas,

prolongando o seu tempo de semi-vida isto torna-o mais conveniente a de utilizar que

outros carbapenemos quando o seu espectro de acção o permitir;

É indicado para complicações abdominais (por E. coli, Clostridium clostridoforme,

Bacteroids fragilis e Peptosstreptococcus sp), infecções da pele/estruturas da pele (por

estirpes de S. aureus meticilina resistentes, S. pyogenes, E. coli ou Peptostreptococcus);

9. Antibióticos β-lactâmicos - Monobactamos

9.1 Aztreonamo

- Conhecer a estrutura, principais características e vantagens/desvantagens

É um antibiótico totalmente sintético.

44

É administrado por via parentérica.

O seu espectro de acção é quase exclusivamente contra microrganismos gram-.

É capaz de desactivar algumas β-lactamases.

Tem um modo de acção semelhante ao das penicilinas, cefalosporinas e carbapenemos.

Tem uma forte afinidade para a PBP3, como consequência, produz filamentos celulares.

A cadeia lateral principal é parecida à da ceftazidina, já o ácido sulfâmico (muito

electroatractor -> ligação β-lactâmica torna-se mais vulnerável à hidrólise) ligado ao anel β-

lactâmico foi primeiramente observado no aztreonamo.

Lembrando o grande tamanho do S, o grupo (SO3) pode assemelhar-se espacialmente

ao grupo carboxilo C2 dos antibióticos β-lactâmicos.

Nos monobactamos, um anel fundido não é essencial para a actividade antibiótica.

O grupo α-metilo na posição C-2 está associado à estabilidade frente às β-lactamases.

Liga-se moderadamente (~50%) às proteínas plasmáticas.

O fármaco é praticamente inalterado pelo metabolismo.

É administrado por injecção e é primeiramente excretado na urina.

clínico: contra infecções severas causadas por microrganismos gram negativos,

especialmente os que são adquiridos no hospital. Infecções ao nível do tracto urinário,

tracto respiratório superior, infecções ginecológicas e septicemias.

O fármaco é bem tolerado e os efeitos secundários são pouco frequentes.

- Reconhecer a semelhança com a ceftazidima

A cadeia lateral principal é muito semelhante à da ceftazidima, enquanto que a

fracção ácido sulfâmico ligada ao anel β-lactâmico não tem precedentes.

- Compreender a importância do grupo sulfamato na actividade antibacteriana do

aztreonamo

O tamanho relativamente grande de átomos de enxofre, faz com que o grupo C-2 se

assemelhe ao grupo carboxilo do precedente dos β-lactâmicos, para confundir os protões

ligantes da penicilina. O carácter fortemente electroatractor do grupo ácido sulfamico

provavelmente faz a ligação de β-lactâmicos mais vulneráveis à hidrólise. Em qualquer caso, as

monobactamas demonstram que um anel fundido não é essencial para a actividade

antibiótica.